急傾斜地下鐵礦采礦方法的選擇*

施振躍 王清標(biāo) 溫小康 張 聰

(1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院；2.山東科技大學(xué)資源與土木工程系)

急傾斜地下鐵礦采礦方法的選擇*

施振躍1王清標(biāo)2溫小康2張 聰2

(1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院；2.山東科技大學(xué)資源與土木工程系)

隨著我國(guó)鐵礦儲(chǔ)量的不斷開(kāi)采，易采資源越來(lái)越少，面臨大量急傾斜礦床的開(kāi)采，必須對(duì)其采礦方法進(jìn)行探討選擇。通過(guò)對(duì)臥虎山鐵礦急傾斜鐵礦地質(zhì)礦帶的分析，確定了上向水平分層(干式)充填法、淺孔留礦采礦法(采后充填)兩種采礦工藝。

急傾斜礦體 淺孔留礦 充填法

目前，我國(guó)有很大比例的急傾斜礦床等待開(kāi)發(fā)。急傾斜礦床采礦方法的選擇面臨著很多需要解決的問(wèn)題，比如：地表沉陷問(wèn)題、尾礦處理問(wèn)題等社會(huì)和技術(shù)熱點(diǎn)問(wèn)題。以臥虎山鐵礦地下開(kāi)采為例，通過(guò)對(duì)礦床地質(zhì)和礦帶條件的分析，并考慮“三下”生產(chǎn)地面沉降問(wèn)題，選擇上向水平分層(干式)充填法、淺孔留礦采礦法(采后充填)兩種采礦工藝，都能夠處理尾礦堆積，有效的控制地表沉降，保證安全生產(chǎn)，創(chuàng)造了巨大的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣。

1 礦區(qū)地質(zhì)

韓旺鐵礦區(qū)域內(nèi)構(gòu)造以斷裂居多，地層走向和斷裂帶及巖漿巖分布均呈北西向，以韓旺—石橋的北西斷裂為界，以北區(qū)域裸露的古老結(jié)晶為基底，南區(qū)域?yàn)楣派绯练e覆蓋層，該礦就形成于斷裂北側(cè)基底的變質(zhì)巖系中，火山沉積形成變質(zhì)礦床。礦床的層位穩(wěn)定，其頂板和底板巖石為片麻巖。含鐵巖系主要集中于片麻巖、含鐵角閃石英片巖和含鐵石英角閃片巖，鐵礦層為富鐵部分。礦床由一個(gè)大礦帶組成，各個(gè)礦帶出現(xiàn)多層分枝復(fù)合、尖滅再現(xiàn)現(xiàn)象。礦床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，除特定的成礦地質(zhì)條件外，也受到偉晶花崗巖的順層鑲嵌，更有晚期脈巖的侵入，造成礦體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，各剖面間的礦層很難相互對(duì)應(yīng)。

2 礦帶特征

該礦帶的顯著特征是礦體與頂板和底板圍巖間呈整合連接，分界明顯。單層礦發(fā)育較薄、多夾層、礦體內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。礦體一半為多層帶狀，排列緊密，斷層上、下盤(pán)的地層產(chǎn)狀相近。礦帶沿NW—SE向展布，總體走向330°，傾向SW，傾角為30°～60°，平均50°，礦床發(fā)育為急傾斜，在走向和傾向上皆出現(xiàn)小幅度的波狀彎曲。礦帶長(zhǎng)1 800 多m，厚度集中在21～50 m，最大時(shí)達(dá)到57.74 m，平均厚度32 m。單礦層的厚度一般為2～25 m。礦體頂部裸露于地表，最大出露標(biāo)高312 m，擴(kuò)大區(qū)的控制標(biāo)高為100～-300 m，厚度變化22.74%，礦體厚度具上厚下薄的特點(diǎn)，但控制深度范圍內(nèi)礦體未尖滅，仍具向下延伸趨勢(shì)。見(jiàn)表1。

3 采礦方法選擇

根據(jù)該礦床礦體賦存條件和地表地形條件，為預(yù)防上盤(pán)地表塌落，以及在多礦層、多夾層的條件下減少回采作業(yè)中的礦石損失貧化，采礦方法選擇要考慮到各礦層要素在空間分布上復(fù)雜多變的特點(diǎn)，及夾層在礦層中的分布狀態(tài)；部分“三下”資源開(kāi)采時(shí)，必須考慮地面下沉問(wèn)題。為滿足礦山100萬(wàn)t/a 的生產(chǎn)能力的需要，設(shè)計(jì)選擇以下兩種方法：上向水平分層(干式)充填法；淺孔留礦采礦法(采后充填)[1]。

3.1 上向水平分層(干式)充填法

3.1.1 構(gòu)成要素

礦塊分為沿走向和垂直走向兩種布置[2]。對(duì)于礦體水平厚度處在8～25 m的單層礦,以及礦層和夾層的總厚度小于25 m的多層礦，礦塊一般沿走向布設(shè)，標(biāo)準(zhǔn)礦塊長(zhǎng)度為50 m，礦塊寬度取決于礦體的水平厚度，兩個(gè)礦塊之間留設(shè)6 m間柱，但不留底柱和頂柱[3]；當(dāng)多層礦水平總厚度超過(guò)25 m、夾層總厚度不超過(guò)礦層總厚度的一半時(shí)，礦塊應(yīng)垂直走向布設(shè)，礦塊(純礦體)的長(zhǎng)度最大為42 m，最小為25 m，礦塊寬度為30 m，兩個(gè)礦塊之間留有 6 m 的間柱，但不留底柱和頂柱。

表1 礦帶特征

在實(shí)際布設(shè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)礦體厚度的變化狀況按以上兩種方式布設(shè)，以保證采場(chǎng)頂板暴露面積控制在1 250 m2。兩種布設(shè)形式的礦塊高度均為中段高度(50～60 m)[4]。

3.1.2 采準(zhǔn)切割

采切工序主要包括：切割平巷、人行通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷、人行通風(fēng)天井、充填天井(也用作設(shè)備通道)、充填聯(lián)絡(luò)巷、回風(fēng)天井、礦石溜井、回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷、出礦聯(lián)絡(luò)巷和穿脈平巷(卸載和存放充填料)等。

3.1.3 回采工藝

根據(jù)垂高分層劃分礦房，除第一層高度為4.6 m 外，其余每層高度為3 m，回采工作依照分層從下至上進(jìn)行。回采工序一般包括鑿巖、爆破落礦、采場(chǎng)運(yùn)搬、充填平場(chǎng)。采用7655型鑿巖機(jī)，打近水平淺孔，2#巖石炸藥爆破，1.5 m3電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)將崩落礦石從工作面轉(zhuǎn)運(yùn)到采場(chǎng)溜礦井。

各分層資源回采完成后分層充填。利用電機(jī)車將碎石全尾砂充填料從充填井轉(zhuǎn)載到礦塊上部的充填聯(lián)絡(luò)巷和穿脈平巷中，通過(guò)充填天井自溜到充填工作面中，然后使用采場(chǎng)電動(dòng)鏟機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)充填，直至該分層充填達(dá)到要求。分層充填高度為3 m，其中干料高度2.6 m，膠結(jié)抹面厚度0.4 m[5]。

對(duì)于垂直走向布置的礦塊，一般情況下礦體中都含有夾層，以兩個(gè)夾層之間的區(qū)域?yàn)閱卧M(jìn)行充填。區(qū)域內(nèi)分層礦石回采后，先崩落夾石充填分層下部，上部用碎石全尾砂充填。充填結(jié)束用鏟運(yùn)機(jī)對(duì)充填體表面平整壓實(shí)，然后再進(jìn)行上一分層的回采作業(yè)[2]。

根據(jù)估算，在多層礦中布置充填法，單分層一次最大充填量為2 876 m3,其中碎石全尾砂一次最大充填量為1 438 m3,可在4～6 d內(nèi)完成?；夭勺鳂I(yè)與充填作業(yè)時(shí)間的比例關(guān)系為3∶1。

3.2 淺孔留礦采礦法(采后充填)

3.2.1 構(gòu)成要素

礦塊沿走向布置，長(zhǎng)度為48～100 m(根據(jù)礦體的厚度來(lái)確定)，以采場(chǎng)頂板暴露面積小于1 000 m2為界，礦塊寬取決于礦體的水平寬度，兩礦塊之間留設(shè)有6 m間柱，但不留頂柱和底柱，礦塊高度為階段高(50～60 m)。淺孔留礦采礦法要求礦體中無(wú)夾層、上下盤(pán)無(wú)夾層或者夾層超過(guò)8 m。

3.2.2 采準(zhǔn)切割

采切工程主要包括：切割平巷、人行通風(fēng)天井、人行通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷、礦房人行通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷、出礦聯(lián)絡(luò)巷、礦石溜井和回風(fēng)兼充填聯(lián)絡(luò)巷等。

3.2.3 回采工藝

回采主要包括鑿巖、爆破落礦、放礦和采后充填工序。采用7655型鑿巖機(jī)打近水平淺孔；使用2#巖石炸藥爆破落礦；放礦活動(dòng)分兩歩，礦房?jī)?nèi)的礦石未回采完全時(shí)，每次落礦后放出崩落礦石的1/3，待到礦房?jī)?nèi)的礦石完全回采完成后，再進(jìn)行大量放礦。

采用0.75m3電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)輸?shù)V石，從采場(chǎng)底部經(jīng)出礦進(jìn)路和出礦聯(lián)絡(luò)巷轉(zhuǎn)運(yùn)到階段溜礦井[6]。

采空區(qū)的充填活動(dòng)及其完成時(shí)間：將掘進(jìn)產(chǎn)生的廢石(或碎石全尾砂)充填料從掘進(jìn)工作面(或充填井裝載站)轉(zhuǎn)運(yùn)到礦塊上部的上盤(pán)充填聯(lián)絡(luò)巷中，直接自溜到采空區(qū)。廢石充填料與碎石全尾砂充填料最好交替回填，廢石連續(xù)充填高度不應(yīng)高于10m，采空區(qū)頂層5m范圍應(yīng)全部使用碎石全尾砂充填。采空區(qū)的充填作業(yè)完成時(shí)間應(yīng)當(dāng)超前上中段礦塊采準(zhǔn)工作的半年前開(kāi)始。

4 結(jié) 語(yǔ)

上向水平分層(干式)充填法、淺孔留礦采礦法(采后充填)適應(yīng)于急傾斜礦床的開(kāi)采，尾礦填充采空區(qū)技術(shù)，解決了大量尾礦堆積問(wèn)題，減少了尾礦帶來(lái)的危害，節(jié)省了原料成本，具有巨大的經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益；有效控制了地表沉陷問(wèn)題，避免了對(duì)地面建筑、河流等構(gòu)筑物造成破壞，危及居民安全，社會(huì)效益巨大，值得在同類急傾斜礦床開(kāi)采中推廣應(yīng)用。

[1] 劉 方.金屬礦山地下采礦方法選擇系統(tǒng)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[2] 王東華.上向分層全尾砂膠結(jié)充填法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[3] 李全京.李官集鐵礦首采礦段采礦方法優(yōu)化研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2010,497(9):66-68.

[4] 宋遠(yuǎn)兵,朱 瑋,徐明生,等.用沙壩礦多中段開(kāi)采礦區(qū)穩(wěn)定性分析[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2012,524(12):17-18.

[5] 田昌進(jìn),何茂才,孫德民.上向水平分層膠結(jié)充填采礦法在某礦山的應(yīng)用[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2011,32(1)：1-3.

[6] 邱俊剛,范作鵬,張忠輝，等.中深孔崩落嗣后充填采礦技術(shù)的應(yīng)用[J].中國(guó)礦山工程，2012,41(5):23-25.

*國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào)：41372289)。

2015-01-15)

施振躍(1989—)，男，碩士研究生，271000 山東省泰安市泰山區(qū)岱宗大街223號(hào)。